국내기술로 ‘철강공정용 CO2 저감형 순산소 연소 가열로’ 개발
「철강공정용 CO2 저감형 순산소 연소 가열로」는 과학기술부 21세기 프론티어연구개발사업의 일환으로 추진되고 있는 이산화탄소저감 및 처리기술개발사업단(단장 박상도)의 지원으로 철강공정용 열설비 전문기업인 (주)에스에이씨(대표이사 한형기)와 한국에너지기술연구원(원장 한문희)이 순수 국내 기술로 공동 개발하였다.
현재 철강공정에서 사용되는 공기를 이용한 가열로는 연소 후 배기가스에 의한 열손실이 커서 에너지이용효율이 35% 정도로 에너지 소비가 많고 이산화탄소 배출량도 많다.
이러한 단점을 해결하기 위해 사용되는 ‘순산소 연소 가열로’는 말 그대로 산화제로 산소만 사용하기 때문에 연소 후 배기 가스량이 적고, 연소온도가 높아 에너지이용효율 향상, 에너지소비 절감 및 CO2 배출량을 저감하는 효과가 있다.
특히 일부 유럽국가에서 사용하는 순산소 연소 가열로와 달리, 국내 기술로 개발된 가열로는 조업 조건에 따라 연소 후 배기가스를 재이용하여 조업온도를 제어할 수 있는 기능과 배기가스 응축기를 통해 CO2를 고농도(95% 이상)로 회수할 수 있는 기능을 통합한 것이 특징이다.
아울러 순도 93~94%인 산소를 사용하여도 질소산화물(NOx)의 생성을 동일한 선진국 기술의 약 1/5 수준인 10mg/MJ 이하로 현저히 낮출 수 있는 세계 최고수준의 가열로로, 가열로 이외에 석유화학공정의 고온 반응로, 비철금속 용해 및 용융소각 등에도 적용이 가능하도록 개발되었다.
개발된 순산소 연소 가열로는 국내 대표적 철강기업인 POSCO, 현대제철, 두산중공업, 세아베스틸 및 동국제강 등에 소개되어 적용을 검토 중에 있는 것으로 알려졌다.
개발 배경 및 기술 개요
□ 개발 배경
에너지 다소비 철강산업의 에너지 소비량은 우리나라 총 사용량의 약 10%를 차지하며, 화석연료의 연소열을 이용하는 공정에서의 소비량은 그 중 약 20%를 차지한다.
2006년 현재 국내 조강능력 (POSCO 기준)은 약 2,700만 톤/년으로 이로 인한 이산화탄소 발생량은 약 5,400만 톤/년 (강재 1톤을 생산하는데 약 2톤의 이산화탄소 발생)에 이르며, 그 중에서 화석연료의 연소열을 이용하는 열연공정에서 발생하는 이산화탄소 발생량은 약 1,100만 톤/년 정도에 이른다.
열연공정에 사용되는 가열로(통칭)는 화석연료의 연소열을 이용하는 대표적인 열설비로 에너지 사용량이 많고 여러대가 근접한 위치에서 운용되기 때문에 연소배가스를 한 군데로 포집하여 처리하기가 용이하다.
따라서 가열로의 열효율 향상을 통해 화석연료의 소비를 줄임으로써 이산화탄소 발생을 최소화할 수 있는 연소기술과 발생된 이산화탄소를 저비용 고농도로 포집이 가능한 가열로 기술개발이 요구된다.
□ 개발 기술 개요
산소연소기술은 공기를 산화제로 사용하는 대신 공기중의 포함된 질소를 제거한 산소만을 산화제로 사용하기 때문에 연소배가스량이 감소하여 열손실이 줄고, 연소배가스는 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O) 만으로 구성되므로 복사가열효과가 증대되는 동시에 응축을 시키면 이산화탄소를 농도 90% 이상으로 쉽게 분리할 수 있다.
개발된 가열로 기술은 연소배가스의 일부를 연속적으로 가열로에 재순환시키는 기능을 통해 가열로내의 온도를 조절하므로써 조업조건에 탄력적으로 대응할 수 있다.
개발된 산소연소기는 일반의 산소제조장치에 의해 생산되는 미량의 질소성분이 함유된 순도 93~95% 산소를 사용하더라도 연소중에 생성되는 질소산화물(NOx)을 선진국 기술의 1/5 수준인 약 10mg/MJ 이하로 억제할 수 있는 성능을 갖는다.
이에 따라 금번 개발된 연소배가스 재순환형 산소연소 가열로는 에너지절감 30%, 생산성 향상 20% 이외에, 90% 이상의 고농도 이산화탄소 회수 및 저 NOx 운전이 가능하여 철강산업에서의 이산화탄소 배출저감과 청정연소효과를 기대할 수 있다.
용어 설명
1. 순산소 연소 가열로 (Oxyfuel Combustion Furnace)
고온 내화 단열재로 내부가 처리된 공간에서 화석연료를 연소시켜 그 연소열로 강재, 철강제품 또는 제반 피가열 물체를 고온으로 승온시키는 목적으로 사용되는 열설비임.
연소용 공기를 산소로 대체하여 연소시키는 방식으로, 기존의 공기연소 대비 약 30%의 연료절감, 약 20%의 생산성 향상과 산소비용을 감안하더라도 약 15~20%의 경제성을 확보할 수 있음. 또한 연소 후 배기가스는 비교적 단순한 응축과정을 통해 함유된 CO2를 95% 이상의 고농도로 쉽게 분리할 수 있기 때문에 CO2 분리 회수 설비비용을 크게 낮출 수 있는 효과가 있음.
2. 질소산화물(NOx)
일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)의 총칭이며, 공기중의 질소나 연료 내의 질소가 고온 분위기에서 산화되어 발생됨. 기침, 가래 등의 호흡기 장애를 유발하며, 태양 자외선, 매연 등과 반응하여 광화학 스모그의 원인이 됨. 공기중의 습기에 녹아 초산이 되어 산성비의 원인이 되는 오염물질임.
3. CDM (청정개발체제: Clean Development Mechanism)
교토의정서 12조에 정의된 CDM은 선진국의 정부 또는 민간조직이 개도국에서 배출감축 프로젝트를 수행하고 CER(Certified Emission Reduction)의 형태로 배출권을 얻는 것에 대한 규정이다. CDM은 개발 도상국에 기술, 자금 등의 지원을 실시하여 개도국의 지속가능한 발전을 촉진시키고 이에 따라 선진국의 온실 가스 배출량을 삭감할 수 있도록 함으로써 온실가스 감축에 대한 노력을 상호 보완적으로 유지, 발전시킬 수 있도록 하는 제도임.
4. mg/MJ
연소 후 배기가스중의 농도를 중량으로 표시하는 단위로서, 일반적으로 사용하는 부피를 나타내는 단위인 ppm (백만분의 일) 단위와 혼용하여 사용됨. 특히 단위 사용 에너지 당 배출농도를 비교하는데 유용함.
주) ppm 단위를 mg/MJ 단위로 환산하는 수식은 다음과 같음.
NOx (mg/MJ) = {1.267 x NOx (ppm) x 시간당 연소 후 배기가스량 x 1000}/ {시간당 사용 연료의 총 발열량 (cal) x 4.18}
* mg : 0.001 g
* MJ : 1,000,000 J (1 J= 0.239 cal)
과제개요 및 연구책임자 이력사항
과제개요
○ 사업구분 : 21세기 프론티어 연구개발 사업
○ 사업명 : 이산화탄소저감및처리기술개발사업
○ 과제명 : 순산소 연소가열시스템 개발
○ 연구책임자 : 노동순 책임연구원 (한국에너지기술연구원)
○ 참여연구자 : 김혁주, 이승수, 최규성, 고창복, 이은경 연구원
○ 기간/예산 : ’02.10 - ’08.3(연구비 총 40.27억원, 정부 30.56억원 / 민간 9.71억원)
○ 기타 과제참여기관 : 한국생산기술연구원, 서울대, 고려대, 중앙대, (주)에스에이씨
연구책임자 주요이력
<인적사항>
성 명 : 노 동 순
<학 력>
1973 - 1977 : 인하대학교 항공공학과 / 학사
1977 - 1979 : 서울대학교 항공공학과 / 석사 수료
1987 - 1991 : 루앙대학교(프랑스) 에너지물리학과 / 박사
<주요경력>
1980 : 한국종합에너지연구소 (한국에너지기술연구원 전신) 입소
1998 ~ 1999 : 보일러연소로연구팀장
~ 2001 : 공업로연구팀장
~ 2002 : 에너지효율연구부장
~ 2003 : 에너지시스템연구부장
<주요업적>
- 특허 6건, SCI 논문 6편, 국내외 학술발표 25편
- 저공해 공업용 표면연소기술 개발 (한국화이버 실증, 1996)
- 공업용 축열연소기술 개발 (두산중공업 실증, 2002)
웹사이트: http://www.most.go.kr
연락처
과학기술부 기초연구국 원천기술개발과 김응복 02) 509-7754
